基坑开挖对围护结构变形和坑外土体沉降影响研究

郭博瀚

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510000)

随着城市群的建设和发展，地域发展与水资源需求不平衡问题日益凸显，引调水工程是实现水资源分配的重要手段。近年来国家大力投入建设引调水工程，基坑是引调水工程建设中很重要的临时性工程，决定了盾构能否顺利掘进。基坑工程是一项涉及施工、力学、地质、结构、基础工程、岩土等多个学科的综合性工程[1-2]，自20世纪80年代以来，虽然基坑支护理论和施工技术有长足的发展，但由于其理论计算和施工技术复杂，影响因素众多，导致全国各地因为基坑的安全问题造成人员伤亡和经济损失的事故时有发生。

由于基坑工程的复杂性，国内外学者对基坑展开了大量的研究工作。廖少明[3]研究了苏州地区挡土结构、形状对深基坑的变形形状的影响。毛吉化[4]、李建飞[5]和徐杨青[6]等通过搭建预测模型对基坑监测预警展开研究。李志伟[7]和王浩然[8]对基坑周边建筑物的变形进行分析研究。刘波[9]通过研究深基坑临近地层的位移特征，得出变形机理和影响因素。刘建航等[10]根据长期的研究和实践，提出了基坑地层损失法概念和墙后地面沉降曲线公式。杨骏[11]通过对软土地区基坑开挖研究，提出坑外土体位移临界面、传导路径及传导曲线斜率的概念，且临界面处于动态变化过程。对基坑施工过程中的安全监测是消除危险因素，防范基坑安全事故发生的重要途径。本文以珠江三角洲水资源配置工程为依托，根据现场基坑监测数据，分析研究基坑开挖过程中的变形问题。

1 工程实例

1.1 工程概况

选取珠三角水资源配置工程中某一个始发井作为研究对象，该井为外径31.8 m圆形竖井，地面平整高程3.0 m，基坑底高程-52.20 m，开挖深度为55.20 m。采用地下连续墙加砼内衬墙支护方案。

现状地面为荒地及鱼塘，地表高程1.0 m～3.0 m。根据钻孔揭露：井身上部为1.0 m～3.0 m厚人工填土，其下为约9.0 m～13.0 m厚的冲积淤质黏土、淤质粉细砂及泥质细沙层，往下为基岩，为泥质砂砾岩，其中全风化带厚度约4 m～6 m，强风化带厚度1.8 m～2.2 m，弱风化带未揭穿，井身中下部均位于弱风化带。井周上部的砂层及软弱土层较多，砂层透水性强，土层、强风化岩层自稳能力差，工程地质条件较差，下部及井底为弱风化泥质砂砾岩，岩质较硬，弱透水，工程地质条件较好。

1.2 监测设计方案

基坑支护结构设计为：地下连续墙墙厚1.0 m，嵌入井底，逆作法内衬墙厚1.2 m～1.5 m，衬砌后内直径分别为27.4 m和26.8 m。监测内容主要包括：桩顶水平位移、桩顶沉降、桩身深层水平位移、周边地表沉降等，监测布置见图1。桩顶水平位移用全站仪观测，沉降用精密水准仪观测，深层水平位移采用测斜仪进行观测。

图1 基坑安全监测平面布置图

2 监测数据分析

2.1 墙体深层水平位移分析

基坑开挖过程中，由于基坑内外压力差引起坑外土体对围护结构产生力的作用，使得围护结构发生向坑内的侧向变形。坑边土体的侧向变形与支护结构体变形相似[11]，因此地下连续墙的深层水平位移能间接反映坑边土体的侧向变形规律。

图2 测斜管的深层水平位移图

图3 测斜管IN1-1的深层水平位移图

由图2可知4个深层水平位移测点的变形趋势大致保持一致，随着基坑开挖进行，最大侧向变形点随基坑开挖面的移动而移动，基本位于基坑开挖面附近，水平位移的最大变形值小于规范规定的20 mm预警值，说明基坑围护结构安全。图3反映了深层水平位移变化曲线呈“弓”字形，且最后变形趋于收敛，不会无限发展。这是由于基坑开挖过程中，坑内土体被卸载，原有土体结构发生改变，应力重分配。由于坑内地层强度突然降低，抵抗外界主动土压力的能力下降，围护结构两侧产生的压差导致土体发生水平位移，围护结构产生变形。随着基坑开挖的进行，坑外土体对围护结构的主动土压力随着开挖深度逐渐变大，坑内地层的抗压能力也随着开挖深度逐渐变大，坑内外压力差最大值发生在开挖面附近，因此最大侧向变形点随着开挖面的变化而移动，且保持在开挖面附近。

2.2 地表沉降分析

(a)LD1测轴周边土体沉降随时间变化关系折线图

(b)LD3测轴周边土体沉降随时间变化关系折线图

LD1-1和LD3-1测点位于连续墙压顶梁上，沉降变形相对比较稳定，沉降主要发生在基坑周边土体的沉降。由图4可知两个沉降测轴上测点的变化趋势一致，均是随着开挖过程进行不断发生沉降，在某个阶段几乎所有测点沉降速度都加快，经过对比周边地下水监测数据，该阶段曾发生地下水骤降，原因是该基坑周边是一个鱼塘，土层含水量丰富且上部砂层透水性强，基坑施工过程中支护结构发生渗漏水，使得基坑外土层含水量急剧减少，地层产生固结或次固结，导致地面下沉。随着渗漏问题的解决和开挖支护的进行，基坑围护结构变形趋于稳定，周边土体地表沉降也趋于稳定。

(a)LD1测轴周边地表沉降随空间变化关系折线图

(b)LD3测轴周边地表沉降随空间变化关系折线图

从空间分布上，基坑外土体最大沉降位置也是随着基坑开挖而变化。由图5(a)可知，2020年6月与7月坑外土体沉降变形相对较小，各测点沉降差距不明显。8月到11月沉降变化开始变大，且变形呈现双峰值，第一个峰值出现在LD1-2测点，距离坑边2 m的位置，第二个峰值在LD1-3和LD1-4间变换，距离坑边14 m～26 m。而后直到2021年3月初，沉降数值不断增大，双峰值演变成单峰值，且最大沉降位置位于LD1-4。由图5(b)可知，2020年6月坑外土体沉降变形相对较小。8月～10月沉降变大并出现双峰值，双峰分别位于LD3-2和LD3-4测点附近。随着开挖进行，沉降曲线由双峰演变成单峰，最后峰值由LD3-3发展到LD3-4位置。监测数据表明，LD1和LD3测轴的最大沉降位置均位于基坑外26 m附近，即1/2H(H为基坑开挖深度)位置。这样的结果与Ou[12]等学者研究分析的结果一致。最大沉降值分别为15 mm和23 mm，约为0.27‰和0.42‰，小于规范规定的预警值，说明基坑支护结构设计合理。

3 结论

(1)围护墙体的深层水平位移曲线大致呈“弓”字形分布，最大侧向变形点位置处于动态变化的过程中，随基坑开挖面的移动而移动，基本位于基坑开挖面附近。

(2)基坑沉降主要发生在坑外土体的沉降，且随着基坑的开挖，沉降逐渐增大最后趋于稳定。土体的沉降与基坑降水有关，由于围护结构发生渗漏水导致地下水位骤降，土体发生应力重分布是坑外土体沉降的主要原因，所以施工过程中应密切关注坑外地下水位的变化情况，严格控制基坑的降水速率。

(3)坑外土体最大沉降位置随着开挖进行而变化，从坑边逐渐向外发展，最后变形曲线呈单峰值状态，最大沉降位置距坑边距离大约为1/2基坑开挖深度。

笔者认为，基坑的变形趋势虽然有规律可循，但由于施工过程受到的干扰因素很多，包括支护技术和措施、开挖进度、围护结构设计、周边建筑物类型、地质等因素，未能通过数学方式进行定量化的描述和预测，这也是接下来有待进一步研究的问题。